HYXNY-F1 大型風力發電系統實訓平臺

發布時間：2021-11-30 丨 瀏覽次數：

HYXNY-F1大型風力發電系統實訓平臺

一、概述

大型風力發電系統實訓平臺參照兆瓦級風機控制系統設計，具有形象的物理仿真對象，創造了良好的實訓環境，包括一套風力發電機模擬對象和四臺控制柜。

1、風機對象模型（MW級見機結構，可實現主動偏航和獨立變槳功能）；

2、能源管理、監控管理及氣象站、偏航變槳控制系統、能源轉換儲存控制系統、風能變流器系統。可以實現風機變槳系統、電氣系統、偏航系統的控制過程實訓和風機的整機運行演示。可用于職業院校學生的風力發電電動變槳偏航裝置電氣控制操作及電氣故障、風電并網控制技術培訓，也可用于風電檢修工技能鑒定培訓。

實訓平臺各部分通過電纜連接，可組成一套既能演示又能動手設計、安裝、調試的風力發電實訓系統。

二、大型風力發電系統實訓設備組成

大型風力發電系統實訓平臺臺主要由模擬光源跟蹤裝置、模擬風能裝置、模擬能源控制系統、能源轉換儲存控制系統、并網逆變控制系統和能源監控管理系統六個部分組成。大型風力發電系統實訓平臺采用模塊式結構，各裝置和系統具有獨立的功能，可以組合成光伏發電實訓平臺、風力發電實訓平臺。

1、設備尺寸： 模擬光源跟蹤裝置 2000mm×1500mm×2000mm

模擬風能裝置 1300mm×1100mm×2600mm

實訓柜（4個） 3200mm×650mm×2000mm

2、場地面積：25平方米

三、各單元介紹

1、模擬風能裝置

(1)、模擬風能裝置的組成

模擬風能裝置主要由葉片、輪轂、發電機、機艙、尾舵、側風偏航控制機構、直流電動機、塔架和基礎、測速儀、測速儀支架、軸流風機、軸流風機支架、軸流風機框罩、單相交流電動機、電容器、連桿、滾輪、萬向輪、微動開關和接近開關等設備與器件組成。

葉片、輪轂、發電機、機艙、尾舵和側風偏航控制機構組裝成水平軸永磁同步風力發電機，安裝在塔架上。軸流風機支架、軸流風機框罩、測速儀、測速儀支架、傳動齒輪鏈機構、單相交流電動機、滾輪和萬向輪等組成。軸流風機和軸流風機框罩安裝在風場運動機構箱體上部，傳動齒輪鏈機構、單相交流電動機、滾輪和萬向輪組成風場運動機構。

風力發電機利用尾舵實現被動偏航迎風，使風力發電機輸出最大電能。測速儀檢測風場的風量，當風場的風量超過安全值時，側風偏航控制機構動作，使尾舵側風45?，風力發電機葉片轉速變慢。當風場的風量過大時，尾舵側風90?，風力發電機處于制動狀態。

2、模擬能源控制系統

（1）、光伏供電單元

1)、系統的組成

模擬能源控制系統主要由光伏電源控制單元、光伏輸出顯示單元、觸摸屏、光伏供電控制單元、ARM控制單元、接口單元、西門子S7-200PLC、繼電器組、接線排、蓄電池組、可調電阻、斷路器、12V開關電源、網孔架等組成。如圖3所示。

2)、控制方式

光伏供電控制單元的追日功能有手動控制盒自動控制兩個狀態，可以進行手動或自動運行光伏電池組件雙軸跟蹤、燈狀態、燈運動操作。

3)、ARM控制單元和接口單元

蓄電池的充電過程及充電保護由ARM控制單元、接口單元及程序完成，蓄電池的放電保護由ARM控制單元、接口單元及繼電器完成，當蓄電池放電電壓低于規定值，ARM控制單元輸出信號驅動繼電器工作，繼電器常閉觸點斷開，切斷蓄電池的放電回路。

（2）、風力供電單元

1)、風力供電單元的組成

風力供電單元主要由風電電源控制單元、風電輸出顯示單元、觸摸屏、風力供電控制單元、ARM控制單元、接口單元、西門子S7-200PLC、繼電器組、接線排、可調電阻、斷路器、網孔架等組成。

2)、控制方式

風力供電控制單元的偏航功能有手動和自動兩個狀態，可以進行手動或自動可變風向操作。

可變風量是由變頻器控制軸流風機實現。手動操作變頻器操作面板上的有關按鍵，使變頻器的輸出頻率在0-50Hz之間變化，軸流風機轉速在0至額定轉速范圍內變化，實現可變風量輸出。

3)、ARM控制單元和側風偏航

風力發電機風輪葉片在氣流作用下產生力矩驅動風輪轉動，通過輪轂將扭矩輸入到傳動系統。當風速增加超過額定風速時，風力發電機風輪轉速過快，發電機可能因超負荷而燒毀。

對于定槳距風輪，當風速增加超過額定風速時，如果氣流與葉片分離，風輪葉片將處于"失速"狀態，風力發電機不會因超負荷而燒毀。

對于變槳距風輪，當風速增加時，可根據風速的變化調整氣流對葉片的攻角。當風速超過額定風速時，輸出功率可穩定地保持在額定功率上。特別是在大風的情況下，風力機處于順槳狀態，使槳葉和整機的受力狀況大為改善。

小型風力發電機多數是定槳距風輪，在大風的情況下，采用側風偏航控制使氣流與葉片分離，使風輪葉片處于"失速"狀態，安全地保護風力發電機。另外，還可以通過側風偏航控制風力發電機保持恒定功率輸出。

（3）、風力供電單元

1） 風力供電單元的組成

風力供電單元主要由風電電源控制單元、風電輸出顯示單元、觸摸屏、風力供電控制單元、ARM控制單元、接口單元、西門子S7-200PLC、繼電器組、接線排、可調電阻、斷路器、網孔架等組成。

2） 控制方式

風力供電控制單元的偏航功能有手動和自動兩個狀態，可以進行手動或自動可變風向操作。

可變風量是由變頻器控制軸流風機實現。手動操作變頻器操作面板上的有關按鍵，使變頻器的輸出頻率在0-50Hz之間變化，軸流風機轉速在0至額定轉速范圍內變化，實現可變風量輸出。

3） ARM控制單元和側風偏航

風力發電機風輪葉片在氣流作用下產生力矩驅動風輪轉動，通過輪轂將扭矩輸入到傳動系統。當風速增加超過額定風速時，風力發電機風輪轉速過快，發電機可能因超負荷而燒毀。

對于定槳距風輪，當風速增加超過額定風速時，如果氣流與葉片分離，風輪葉片將處于"失速"狀態，風力發電機不會因超負荷而燒毀。

對于變槳距風輪，當風速增加時，可根據風速的變化調整氣流對葉片的攻角。當風速超過額定風速時，輸出功率可穩定地保持在額定功率上。特別是在大風的情況下，風力機處于順槳狀態，使槳葉和整機的受力狀況大為改善。

小型風力發電機多數是定槳距風輪，在大風的情況下，采用側風偏航控制使氣流與葉片分離，使風輪葉片處于"失速"狀態，安全地保護風力發電機。另外，還可以通過側風偏航控制風力發電機保持恒定功率輸出。

4）、蓄電池組

蓄電池組選用4節閥控密封式鉛酸蓄電池，主要參數：

容量 12V 24Ah

重量 1.9kg

尺寸 345mm×195mm×20mm

3、并網逆變、負載控制系統

(1)、系統的組成

逆變與負載系統主要由逆變電源控制單元、逆變輸出顯示單元、逆變器、逆變器參數檢測模塊、變頻器、三相交流電機、發光管舞臺燈光模塊、警示燈、接線排、斷路器、網孔架等組成。

1)、 逆變電源控制單元

逆變電源控制單元主要由斷路器、+24V開關電源、AC220V電源插座、指示燈、接線端子等組成。

2)、 逆變輸出顯示單元

逆變輸出顯示單元主要由交流電流表、交流電壓表、接線端等組成。

3)、 逆變與負載系統主電路

逆變與負載系統主要由逆變器、交流調速系統、逆變器測試模塊、發光管舞臺燈光模塊和警示燈組成。

逆變器的輸入由光伏發電系統、風力發電系統或蓄電池提供，逆變器輸出單相220V、50Hz的交流電源。交流調速系統由變頻器和三相交流電動機組成，逆變器的輸出AC220V電源是變頻器的輸入電源，變頻器將單相AC220V變換為三相AC220V供三相交流電動機使用。逆變電源控制單元的AC220V電源由逆變器提供，逆變電源控制單元輸出的DC24V供發光管舞臺燈光模塊使用。逆變器測試模塊用于檢測逆變器的死區、基波、SPWM波形。

(2)、逆變器

逆變器是將低壓直流電源變換成高壓交流電源的裝置，逆變器的種類很多, 各自的具體工作原理、工作過程不盡相同。本實訓裝置使用的逆變器由DC-DC升壓PWM控制芯片單元、驅動+升壓功率MOS管單元、升壓變壓器、SPWM芯片單元、高壓驅動芯片單元、全橋逆變功率MOS管單元、LC濾波器組成。

4、能源監控管理系統

(1)、能源監控管理系統

能源監控與管理系統主要由一體機、鍵盤、鼠標、接線排、電源插座、通信線、微軟操作系統軟件、力控組態軟件組成。

(2)、監控系統功能

1)、 通信

監控系統與控制器、PLC、儀表進行通信。

2)、 界面

①監控系統具有主界面，模擬能源控制系統界面，風力供電單元界面，逆變與負載系統界面，風光互補能量轉換界面，分別顯示各自的運行狀態參數。

②模擬能源控制系統界面設置相應的按鈕，實現光伏電池方陣自動跟蹤。

③風力供電單元界面設置相應的按鈕，實現風力發電機側風偏航控制。

④具有光伏發電采集報表和風力發電集報表，記錄光伏輸出電壓、電流，風力發電機的輸出電壓、電流；逆變與負載系統的逆變輸出電壓、電流、功率等數據并打印數據報表。

四、主要實驗實訓內容

1、風力發電機特性仿真

2、變槳原理及實訓

3、偏航原理及實訓

4、解纜系統原理實訓

5、并網逆變器工作原理實訓

6、并網逆變器參數設置與電能質量分析

7、風力發電系統運行與調試

8、能源監控管理系統組態設計